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1、,第3章 太阳能电池及其物理基础,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1、半导体物理基础 太阳能电池将光能转换为电能主要包含两个步骤：(1)电池吸收光能并产生“电子空穴”对；(2)电子-空穴对在器件结构作用下分离，电子流向负极而空穴流向正 极，从而产生电流。如何理解这两个步骤？1.1 能带结构一、能带的形成原子间距 d 很大，原子的能级为分立能级原子逐渐靠近，相互影响，使孤立的原子能级扩展成为能带,Schl.of Optoelectroni
2、c Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,随着原子间距的减小，3s和3p 态相互作用并产生交叠。在平 衡状态
3、原子间距位置产生能带 分裂。每个原子的其中四个量 子态处于较低能带，另外四个 量子态则处于较高能带。当处于绝对零度时，电子都处 于最低能量状态，从而导致较 低能带（价带）的所有状态都 是满的，而较高能带（导带）的所有状态都是空的。价带顶和导带底之间的带隙能 量Eg既为禁带宽度。,轨道能量产生重叠，电子开始从高能量轨道向低能量轨道转移,独立硅原子的3s和3p态分裂为允带和禁带,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、k空间能带图 上述内容中，
4、我们定性讨论了晶体中允带和禁带的形成及原因。我们还可以利用量子力学原理和薛定谔波动方程对允带和禁带的概念 做更为严密的讲解。微观粒子具有波粒二象性，表征波动性的量与表征粒子性的量之 间有一定的联系。一个质量为m0，以速度v自由运动的电子，其动量p 与能量E分别为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,德布罗意（De Broglie）指出，这一自由粒子可以用频率为、波长为 的平面波表示：式中：A常数 r 空间某点的矢径 k 平面波的波数，等于
5、波长的倒数。为能同时描写平面波的传播方向，通常规定k为矢量，称为波数矢量，简称波矢，既为k，其大小为：。方向与波面法线平行，为波的传播方向。自由电子能量和动量与平面波频率和波矢之间的关系分别为：h为普朗克（Planck）常数,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,为简单起见，考虑一维情况，即选x轴方面与波的传播方向一致，则：式中：也称其为自由电子的波函数，它代表一个沿x轴方向传播的平面波，且遵守定态薛定谔（Schrdinger）方程：式中，h
6、为普朗克（Planck）常数，E为电子能量。最后，计算得：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,第一布里渊区：第二布里渊区：第三布里渊区：禁带：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,E(k)也是k的周期性函数，周期为/a，即 k和k+n/a表示相同的状态。所以，可 以只取-/2ak/2a
7、中的k值来描述电 子的能量状态，而将其他区域移动n/a 合并到第一区。在考虑能带结构时，只 需考虑-/2ak/2a的区域就够了，就 是说只需考虑第一布里渊区，得到如左 图所示的曲线。在这个区域内，E为k的多值函数。因此，在说明E(k)和k的关系时，必须用En(k)标明是第n个能带，常称这一区域为简约 布里渊区，这一区域内的波矢为简约波矢。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,三、金属、半导体和绝缘体的能带结构,（1）价带、导带和禁带价带：在
8、绝对零度时，能被电子占满的最高能带导带：比价带能量更高的能带禁带：在能带结构中，价带与导带之间 能态密度为零的能量区间,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）金属、半导体和绝缘体的能带结构,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,四、几种常见半导体材料的能带结构,（1）硅（Si）及锗（G
9、e）的能带结构像硅和锗这样的半导体材料，价带能量最大值和导带能量 最小值的k坐标不同的半导体，通常称为间接带隙半导体。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）砷化镓（GaAs）的能带结构,像砷化镓这样的半导体材料，价带最大能量与导带最小能 量的k坐标相同的半导体，通常称为直接带隙半导体。直接带隙材料的光跃迁几率 是间接带隙材料的10倍，因 为电子跃迁过程无动量变化，与晶格无作用，复合过程是 辐射复合，使激光器具有较 高的内量子效率。,砷
10、化镓,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,五、半导体中的能态密度 固体能带的另一个表征是能带中电子状态密度按能量的分布 N(E)，它是与k空间态密度以及固体能带结构相关的。k空间单位体积的状态密度是2/(2)3，其中2是考虑电子自旋。讨论在E到E+dE范围内的电子状态数dN=N(E)dE，应该是dE能量 间隔在k空间所占的体积与k空间状态密度的乘积：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育
11、部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,导带底状态密度：,价带顶状态密度：,式中，为导带底电子状态密度有效质量。,式中，为价带顶电子状态密度有效质量。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1.2 载流子一、本征半导体和掺杂半导体（1）本征半导体本征半导体即没有杂质和缺陷的半导体。绝对零度，本征半导体的能带结构中，价带填满电子，而导带没有电子。在本征半导体中，电子浓度n等于空穴浓度
12、p，称这个浓度称为本征浓度ni。下表给出了T=300K时，几种不同材料本征载流子浓度ni的公认值；下 图给出了本征半导体的能带结构，EFi为本征费米能级。,T=300K 时，ni的公认值,本征半导体能带结构图,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,n型半导体特征：EFEFi,n0ni，nip0，即n0p0,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.o
13、f ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,p型半导体则是在族元素（如硅、锗）半导体中掺入少量的族元素（如硼等）杂质，作为替位杂质。族元素有三个价电子，并且都与硅原子结合形成共价 键，则有一个共价键的位置是空的，即空穴。族元素原子从价带中获得电子，因此我们称之为受主杂质原子。受主杂质原子能在价带中产生空穴，但不在导 带中产生电子。我们称这种类型的半导体为p型半导体（p代表带正电的空穴）。,p型半导体特征：EFEFi,n0ni，nip0，即n0p0,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.o
14、f ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,掺杂半导体示意图,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、平衡态载流子分布在一定温度下，半导体中载流子（电子、空穴）的来源：（1）电子从价带直接激发到导带，在价带留下空穴的本征激发；（2）施主或受主杂质的电离激发，与载流子的热激发过程相对应，还会 伴随有电子与空穴的复合过程。在一定温度下，半导体材料内载流子的产生和复合达到热力学平衡，称此 动态平衡下的载流子为热平衡载流子。电子作为费米子
15、，服从费米-狄拉克统计分布，费米-狄拉克分布函数代表 能量为E的量子态被电子占据的可能，或表示被电子填充的量子态占中量 子态的比率，具体公式如下：,式中：EF 费米能级kB 波尔兹曼常数,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,T=0K时：EEF，量子态完全被占；EEF，量子态被占的可能为零。,T0K时：电子获得多 余能量进入高能级，此 时高于EF的能量状态被 电子占据的几率不为零。能量为EF的量子态被占 据的可能为1/2。,Schl.of O
16、ptoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,空穴状态概率,(1-f(E)与f(E)函数关于费米能级EF对称。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,电子浓度：在能量E E+dE内的电子数dn 将 和 代入 上式得：对整个导带宽度积分，得热平衡电子浓度n0：同理得热平衡空穴浓度p0：,Schl.of Optoelec
17、tronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,取n0与p0的乘积为：,上式表明，对于一定材料n0p0乘积仅是温度的函数，与费米能级无关。这表明在一定温度下n0与p0是相互制衡的。称n0与p0为热平衡常数。对于本征半导体，n0=p0=ni，称ni为本征载流子浓度。则本征半导体的费米能级为：,由上
18、式看出，本征半导体的费米能级基本位于带隙中央，由于价带和导带态密度的不同，导致稍微偏离带隙中央。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,本征载流子浓度为：,与本征载流子浓度相类似，电子在施主能级ED及空穴在受主能级 EA的填充概率分别为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,若施主和受主杂
19、质浓度分别为ND和NA，在杂质能级ED和EA能级上的 电子浓度和空穴浓度为：,则由于杂质激发到导带和价带的电子和空穴浓度为：,由上可知，掺杂半导体的载流子来源有：（1）从价带到导带的本征激发；（2）杂质离化的贡献。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,三、非平衡态载流子的产生与复合 外场（光照、电场等）作用下，载流子分布将偏离热平衡状态。（1）非平衡载流子的产生 非平衡载流子浓度是非平衡稳态与热平衡稳态载流子浓度之差。对于太阳能电池而言，光
20、照是电池运作的原动力。光在半导体中沿光照方向x处的产生率G(x)定义为在单位时间、单 位体积内光吸收产生的电子-空穴对数，单位为1/(cm3s)。对于频率为0的单色光吸收率(0)，产生率为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,讨论太阳光在半导体中沿光照方向x的产生率G(,x)应该是上式在 g的积分：,式中：Q()太阳光子流密度的光谱分布，代表单位面积、单 位时间入射太阳光中、能量为 的光子数。,式中：I0入射光强 R(0)光反射系数(0)
21、光吸收系数(0)量子效率，指一个光子激发电子-空穴对的概率,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）非平衡载流子的复合,产生,复合,复合按复合途径分类,直接复合,间接复合,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,复合按能量释放方式分类,辐射复合,俄歇复合,非辐射复合,非平衡载流子的寿命，即
22、非平衡载流子浓度减少到1/e所需的时间，也为非平衡载流子在导带或价带平均存在的时间。非平衡载流子寿命是由复合过程确定的，是材料的主要标志之一。在一定温度下，电子和空穴的产生与复合是同时存在的，且热平衡 状态时，产生率等于复合率。,表面和界面复合,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,直接带之间的辐射复合 直接带之间的复合往往是与辐射复合联系在一起，导带中电 子向下跃迁与价带空穴相遇，电子-空穴对消失并发射一个光子。在直接带隙的材料中，复合过程
23、没有动量的变化，故而直接 复合概率高。,复合率R：单位时间、单位体积复合的电子与空穴数。式中：rrad 辐射系数净复合率U：式中：G0热产生率,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,p型半导体（n0p0）有：表明净复合率Urad正比于非平衡少数载流子浓度。n型半导体（p0n0）有：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜
24、与集成器件”国家重点实验室.,通过复合中心的间接复合 非平衡载流子通过带隙中缺陷或杂质能级的复合是实际半导体中最重要的复合。对于Ge，Si这类间接带隙半导体材料，通过复合中心的间接复合是复合的主要途径。,净复合率U：式中：n,SHR及p,SHR分别为电子与空穴寿命,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,俄歇复合 俄歇效应是三粒子效应，在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴，造成该电子或者空穴跃迁的复
25、合过程叫俄歇复合。,对两个电子与一个空穴的碰撞，复合率为：对两个空穴与一个电子的碰撞，复合率为：式中：raug 俄歇复合系数俄歇复合的寿命：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,表面和界面复合,单位面积、单位时间的表面复合率US为：对于n型半导体，表面复合率可简写为：对于p型半导体，表面复合率可简写为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.o
26、f ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（3）非平衡载流子的浓度 对处于准热平衡的导带和价带，分别引入电子和空穴的准费 米能级EFn和EFp，导带和价带非平衡载流子分布遵循下式：此时的非平衡载流子浓度可表示为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,四、载流子的输运性质外载流子两种输运机制：,漂移运动：由电场引起的载流子运动。,扩散运动：由浓度梯度引起的载流子流动。,温度梯度也能引起载流子运动，但较小，可忽略。,（1）漂移运动与
27、迁移率 在电场作用下，自由空穴沿电场方向的漂移，或电子逆电场方向的漂 移，均将形成电流。对于一个恒定电场，漂移运动速度D与电场强度E成正比：,式中：迁移率，即单位电场下的载流子漂移速率,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,电子浓度为n的漂移电流密度Jn|drf：空穴密度为p的漂移电流密度Jp|drf：n型和p型半导体导电率分别表示为：总漂移电流密度Jdrf为：总电导率为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探
28、测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,迁移率：单位电场下的载流子漂移速率，其单位为cm2/(VS)。迁移率正比于，反比于载流子的有效质量：,影响载流子迁移率的 两种散射机制,晶格散射（声子散射）,电离杂质散射,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）载流子扩散运动 当固体中离子浓度（原子、分子、电子、空穴等）在空间分布不均匀 时，将发生扩散运动。,电子扩
29、散电流密度Jn|dif：空穴扩散电流密度Jp|dif：式中：Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数，单位是cm2/s。材料迁移率与扩散系数之间应满足爱因斯坦关系：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（3）非平衡载流子的扩散与漂移的基本方程 由于外场的注入，表面与体内的差别或材料掺杂不均匀等，非平衡载流子的空间分布通常是不均匀的，扩散与漂移同时存在。考虑一维情况，电子与空穴的电流密度Jn，Jp分别为：应用爱因斯坦关系，则总电流密度方程为：,S
30、chl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,在稳态情况 时，设材料是均匀掺杂的，其带隙宽度、载流子迁移率、介电常数和扩散系数均与位置无关，则稳态连续方程为：考虑较简单的情况，在中性区内的电场极小E0，因此与扩散电流相比，漂移电流可以忽略不计，且是小注入条件，则n型和p型材料的复合项为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集
31、成器件”国家重点实验室.,则对于n型半导体有：对于p型半导体有：注：上述方程组是分析半导体器件及太阳能电池的基本方程。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1.3 杂质与缺陷能级,太阳能电池材料大多为半导体材料或半导体薄膜材料；无论是本征半导体，还是掺杂半导体，都存在杂质和缺陷；由于杂质和缺陷而产生的能级变化，在半导体材料及其器件中普 遍存在；根据具体材料体系的不同，杂质与缺陷能级有时可能引起能带结 构的弯曲、重叠、分离，从而改变半导体材料
32、的能级分布，产生 许多新的效应；有关半导体（薄膜）材料杂质与缺陷能级的仿真、理论与实验研 究，一直以来都是半导体材料与器件物理研究的基础和重点。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,杂质能级图,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1.4 p-n 结,Schl.of Optoelectro
33、nic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,空间电荷区（耗尽区）的特点：位置在冶金结附 近；不存在电子与空
34、 穴；边缘存在多子浓 度的浓度梯度。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,一、零偏零偏，即热平衡时，费米能级处处相等。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（1）内建电势差,令,而,同理可得,则内建电势差：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成
35、技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）电场强度,电场由一维泊松方程确定。,式中：(x)电势 E(x)电场大小(x)体电荷密度 s半导体的介电常数,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,边界条件：x-xp和xxn区域电场E=0;x=-xp和x=xn时电场E=0。,x=0处电场连续：,说明p区内每单位面积的负电荷数与n区内每单位面积的正电荷数相等。,电场方向由n区指向
36、p区；均匀掺杂的pn结，pn结区域电场 是距离的线性函数；冶金结处的电场为最大值。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,电势表达式：,x-xp和xxn区域电场E=0;x=-xp和x=xn时电场E=0。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,电势表达式为距离的二次函数；xxn处的电势大小与内
37、建电势差大小相同：电子电势能，为距离的二次函数,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（3）空间电荷区宽度,和,总耗尽区宽度W：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、反偏n区相对于p区施加了一个正电压n区费米能级的位置低于p区的总电势差为：,Schl.of Optoelectronic
38、 Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（1）空间电荷区宽度与电场强度空间电荷区宽度随施加的反偏电压增加电场强度：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）伏安特性由于外加反向偏压，降低了载流子的扩散运动，增加了少子的漂移运动，把n区中的空穴驱向p区，p区中的电子拉向n区。因少子数目少，所以反向电流一般很小（如下图三象限所示）。p-
39、n结正、反向导电性悬殊的差别即是p-n结的整流特性。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,反向电流密度：,在稳定情况下，区内电子-空穴对产生率为：,有效寿命0为：,在区域或，少数载流子仅仅是通过扩散而运动。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,在区域或，热平衡时单位体积净产生率为：,有效
40、寿命0为：,总反偏电流密度JR为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,三、正偏p区相对于n区施加了一个正电压p区费米能级的位置低于n区的总电势差为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（1）空间电荷区宽度与电场强度空间电荷区宽度随施加的反偏电压增加电场强度：,Schl.of Opto
41、electronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,（2）伏安特性由于外加正向偏压，n区中有大量电子扩散到p区，p区也有大量空穴扩散 到n区，形成由p指向n的可观的扩散电流，也称为正向电流。随着正向电压的增加，p-n结中扩散电流大大超过由p-n结中剩余的电势 VD-VF作用下形成的漂移电流，于是得到了如下图第一象限所示的正向电 流-电压特性，又称为正向伏安特性。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State
42、 Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,正向电流密度：,稳定情况下，在n区的扩散层中，小注入时可不考虑电场的影响，那么电子扩散方程为：,边界条件：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,正偏pn结内稳态少子浓度,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl
43、.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,耗尽区内复合电流分量：,净复合率为：,总正偏电流密度JD为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,若不考虑耗尽区 的影响，则p-n结的正向电流密度JD可简写为：,令Js为忽略pn结耗尽区影响时的反向饱和电流密度：,总正偏电流密度JD为：,这就是著名的肖克莱方程
44、，它反映了理想情况下，pn结的正偏电流密度与偏压、反向饱和电流密度及温度的关系。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,正偏pn结内理想电流分布,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,四、pn结二极管理想伏安特性曲线,反向饱和电流密度,总电流密度,Schl.of Optoelectronic
45、 Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,五、pn结电容结电容即势垒电容，是耗尽区内的正负电荷在空间上分离引起pn结 具有电容的充放电效应的结果。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、光生伏特效应一、光生伏特效应光电效应（Photoelectric effect）：光照射到某些物质上，引起 物质的电性质发生变化，也就是光能转换成电能
46、。光生伏特效应（Photovoltaic effect）：半导体在受到光照射时 产生电动势的现象，即半导体在受到光照射时，由于光生载流子 在不同位置具有不均一性，或者由于p-n结产生了内部载流子，就 会因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不均匀，从而 产生电能的现象。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,无光照时，处于零偏下的p-n结 能带图（a），有统一的费米能 级，势垒高度为：qVD=EFn-Efp=q(VFn+VFp)稳定光照、
47、p-n结处于开路状态 时，p-n结能带图（b）。光生 载流子积累出现光电压，使p-n 结处于正偏，费米能级发生分 裂。因p-n结处于开路状态（未 接负载），故费米能级分裂宽 度等于qVoc，剩余的结势垒高度 为q(VD-Voc)。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,稳定光照、p-n结处于短路状态时，p-n结能带图（c）。原来在p-n结 两端积累的光生载流子通过外电路 复合，光电压消失，势垒高度为qVD。各区中的光生载流子被内建电场分 离，
48、源源不断地流进外电路，形成 短路电流Isc。有光照、有外接负载时，p-n结能 带图（d）。一部分光电流在负载 上建立电压V，另一部分光电流与 p-n结在电压V的正向偏压下形成的 正向电流抵消。费米能级分裂的宽 度正好等于qVD，而这时剩余的结势 垒高度为q(VD-V)。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、太阳能电池伏安特性曲线一个pn结太阳能电池的基本结构如下图所示入射光的照射能够在空间电荷区产生电子-空穴对，它们将被电场 扫过，从而
49、形成相反方向的光电流IL。则在反偏情况下，pn结电流为：,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,短路电流：当R=0时，即V=0时，pn结段路,开路电压：当R时，即外电流为零时，所得到的电压,传输到负载上的功率为：,通过令P的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家
50、重点实验室.,3、金属-半导体接触和MIS结构 在半导体产业中，半导体器件或者集成电路必须与外电路相连接，此时必须有金属与半导体的接触，简称金-半接触（MS接触）。MS接触可分为两类：（1）整流接触，这种接触称为肖特基接触，其电流-电压（I-V）特 性呈现非线性关系，具有单方面导电性。（2）非整流接触，即欧姆接触，其I-V特性成线性关系或以原点为 中心的对称关系。,Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab.of ETFID“电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,整流接触 肖特基接触,非整流接触 欧姆接
